Kvantová mechanika: Porovnání verzí
Smazaný obsah Přidaný obsah
m SČ na místo, +portál |
|||
Řádek 9:
Klasická mechanika se dá získat z kvantové limitním přechodem, kdy lze považovat za dostatečně malé elementární kvantum [[akce]], tzv. [[Planckova konstanta|Planckovu konstantu]]. To je podobné např. limitnímu přechodu od relativistické mechaniky ke klasické, který odpovídá limitě pro rychlosti malé vzhledem k rychlosti světla. Naproti tomu je zapotřebí zdůraznit, že ''kvantový popis není nikterak omezen jen na oblast [[mikroskopický]]ch systémů''. Existuje i řada [[makroskopický]]ch systémů, kde se projevují kvantové rysy - např. makroskopická [[supravodivost]], [[supratekutost]], atp. Kvantově-mechanický popis lze uplatnit dokonce i pro jevy v astronomickém měřítku.
<br />
Kvantová mechanika se obvykle zabývá soustavami obsahujícími konečný počet bodových částic s nenulovou klidovou hmotností. Společně s [[teorie relativity|teorií relativity]] je považována za pilíř [[moderní fyzika|moderní fyziky]], přestože spolu v některých situacích netvoří konzistentní celek. Zatímco teorie relativity, ať již [[speciální teorie relativity|speciální]], či [[obecná teorie relativity|obecná]], nachází uplatnění zejména pro velké [[rychlost]]i, [[rozměr]]y a [[hmotnost]]i, kvantová mechanika se nejčastěji projeví u malých (subatomárních) rozměrů, což jsou například [[elektron]]y, [[neutron]]y, [[atom]]y, [[molekula|molekuly]], [[foton]]y atd.
== Vznik a vývoj kvantové mechaniky ==
Řádek 21:
Obdobím staré kvantové mechaniky (též první kvantová éra) se nazývá období v letech 1900 až 1925, v němž byly kvantové jevy vysvětlovány v rámci klasické fyziky, do níž byly přidávány dodatečné principy. Stará kvantová mechanika tedy neměla vlastní matematicky aparát a byla součástí klasické fyziky.<br/>
Kvantová mechanika dostala jméno podle myšlenky naznačené [[Max Planck|Maxem Planckem]] v roce [[1900]], podle níž [[energie]] [[elektromagnetické záření|elektromagnetického záření]] je přenášena po nepatrných, ale konečně velkých, '''[[kvantum|kvantech]]''' (z [[latina|latinského]] „quantus“, kolik) <math>E=h\nu</math>, kde <math>h</math> je [[
V roce [[1905]] použil kvantovou hypotézu [[Albert Einstein]] a vysvětlil [[fotoelektrický jev]]<ref>EINSTEIN, Albert, ''Über einen die Enzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt'', Ann. Physik 17, 1905, s. 132-148.</ref>, za což mu byla udělena [[Nobelova cena]] za rok [[1921]]. Dalším důležitým krokem pro další vývoj kvantové teorie byl [[Bohrův model atomu]] z roku [[1913]]<ref>BOHR, Niels, ''On the Constitution of Atoms and Molecules'', Philosophical Magazine '''26''', 1913, s. 1-24; Philosophical Magazine '''26''', 1913, s. 476-502; Philosophical Magazine '''26''', 1913, s. 857-875.</ref>, který vysvětloval rozložení spektrálních čar vodíku pomocí předpokladu, že [[moment hybnosti]] elektronu nemůže nabývat libovolných hodnot, ale je vždy celistvým násobkem Planckovy konstanty. Mezi další základní myšlenky staré kvantové mechaniky patřila [[de Broglieho hypotéza]] (též [[
V počátku dvacátých let 20. století bylo již zřejmé, že do té doby nesystematicky a do značné míry libovolně aplikovaná pravidla kvantování, přidávaná ke klasické mechanice pro vysvětlení některých mikroskopických jevů, budou vyžadovat vytvoření nové konzistentní fyzikální teorie, značně odlišné od dosavadní fyziky. Tou se později stala moderní kvantová mechanika.
Řádek 32:
První kvantovou mechanikou v moderním slova smyslu byla [[Werner_Heisenberg|Heisenberova]] [[maticová kvantová mechanika]] z roku [[1925]], která umožnila zobecnit v klasické mechanice používané [[Hamiltonovy rovnice]] tak, aby byly použitelné pro novou teorii. V této nové teorii Heisenberg popisoval systém [[stavovým vektorem]] a měřitelné veličiny nekonečně-rozměrnými maticemi<ref>HIESENBERG, Werner, Zeitschrift für Physik '''33''', 1925, s. 879.</ref>.<br/>
O necelý rok později, v roce [[1926]], publikoval [[
Schrödinger brzy rozpoznal, že jeho vlnová kvantová mechanika je ekvivalentní Heisenbergově maticové kvantové mechanice (vlnová funkce odpovídá stavovému vektoru, lineární operátory odpovídají nekonečně-rozměrným maticím, atd.) a že obě teorie předpovídají stejné výsledky.<ref>SCHRÖDINGER, Erwin, Ann. der. Phys., '''79''', 1926, s. 734.</ref> V dnešní době se pro výpočty z praktických důvodů používá častěji vlnová kvantová mechanika, protože výpočty s nekonečně rozměrnými maticemi zpravidla nejsou triviální. Terminologie obou formulací kvantové mechaniky se používá dodnes.<br/>
Řádek 46:
# [[Tunelový jev]] – Částice mohou s určitou pravděpodobností pronikat i do oblasti, která je podle klasické mechaniky částicím nepřístupná, např. skrze překážku, na jejíž překonání nemají dostatek energie. Částice se také může s určitou pravděpodobností odrazit od překážky, kterou by měla v klasické mechanice s jistotou překonat.
# [[Dualita částice a vlnění|Vlnově-částicový dualismus]] – Kvantové objekty se v některých situacích mohou chovat jako vlny (mají dobře lokalizovanou velikost hybnosti), v jiných jako částice (mají dobře lokalizovanou polohu).
# [[Relace neurčitosti]] - Určité veličiny nejsou na jednom systému současně přesně měřitelné, např
# Princip [[nerozlišitelnost částic|nerozlišitelnosti částic]] – Částice stejného druhu (např. dva elektrony) nemůžeme od sebe ani v principu odlišit, nelze je „očíslovat". Rozlišitelnost či nerozlišitelnost různých stavů systému se v rovnicích kvantové fyziky velmi konkrétně projevuje, například při popisu chemické vazby.
# [[Entanglement|Kvantová provázanost]] (propletení, entanglement) – Stav systému dvou či více částic, v němž nelze hovořit odděleně o stavech jednotlivých částic.
Řádek 58:
* [[Comptonův jev]] - Experiment pro studium rozptylu fotonu na atomu či elektronu.
* [[Stern-Gerlachův experiment]] - Experiment pro ověření existence neorbitálního momentu hybnosti, spinu.
* [[
* [[
* [[Paschen-Backův jev]] - Obdoba Zeemanova jevu pro velmi silná magnetická pole.
Řádek 72:
=== Oponenti kvantové mechaniky ===
Se stavem v jakém byla kvantová mechanika, nebyli spokojeni nejen ostatní fyzikální odborná veřejnost, ale také osobnosti, které se na kvantové mechanice přímo sami podíleli.
Nejznámějším oponentem moderní kvantové mechaniky byl jeden ze spoluautorů staré kvantové mechaniky, Albert [[Einstein]]. Einstein je v souvislosti s oponenturou kvantové mechaniky znám především jako autor citátu: ''„Bůh nehraje v kostky“'', kterým vyjádřil svůj postoj k pravděpodobnostnímu charakteru kvantové mechaniky. Dále je Einstein znám jako spoluautor jednoho z nejcitovanějších fyzikálních článků vůbec<ref>[...]</ref>, [[EPR článek|EPR článku]], který souvisí s kvantovou provázaností (entanglementem) částic.<ref>EINSTEIN, Albert, PODOLSKY, Boris, ROSEN, Nathan, ''Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?'' Phys. Rev. '''47''', 1935, s. 777–780.</ref> To, že byl Einstein přesvědčen, že kvantová mechanika je neúplnou teorií, nemění nic na faktu, že se v dlouhých diskusích s Bohrem v letech
Mezi další známé osobnosti, které nebyly spokojeny se stavem kvantové mechaniky, patřil Erwin Schrödinger. Ten jednou v rozhovoru s Bohrem prohlásil: ''„Jestli se musí dál pokračovat s těmito zatracenými kvantovými skoky, pak lituji, že jsem kdy začal pracovat na atomové teorii.“'' Načež Bohr odvětil: ''„Ale my ostatní jsem Vám velmi vděčni, že jste tím posunul atomovou fyziku o rozhodující krok vpřed.“''<ref>WHEELER, ZUREK, s. 56; Původní text: Once Schrödinger burst out almost desperately, ''"If one has to go on with these damned quantum jumps, then I'm sorry that I ever started to work on atomic theory." To which Bohr answered, "But the rest of us are so grateful that you did, for you have thus
Řádek 85:
# Postulát o stavovém vektoru ([[Vlnová_funkce|vlnové funkci]]) - Stav systému v čase <math>t_0</math> je popsán stavovým vektorem <math>|\psi(t_0)\rangle</math> z [[Hilbertův prostor|Hilbertova prostoru]] všech stavových vektorů, přičemž libovolný komplexní nenulový násobek tohoto vektoru popisuje stejný stav.
# Postulát o [[operátorech]] - Každá měřitelná fyzikální veličina <math>A</math> je popsatelná lineárním hermiteovským operátorem <math>\hat{A}</math>, který působí na stavový vektor <math>|\psi\rangle</math>.
# Postulát o [[
# Postulát o [[Redukce_vlnové_funkce|redukci stavového vektoru]] - Pokud měření fyzikální veličiny <math>A</math> na systému ve stavu <math>|\psi\rangle</math> dalo výsledek <math>a_n</math>, pak se stav systému okamžitě změnil na podprostor příslušný danému vlastnímu číslu <math>a_n</math>: <math>|\psi\rangle\rightarrow \frac{\hat{P}_n|\psi\rangle}{\sqrt{\langle\psi|\hat{P}_n|\psi\rangle}},</math> kde <math>\hat{P}_n</math> je projekční operátor příslušející vlastnímu číslu <math>a_n</math>. V případě nedegenerovaného spektra je podprostor příslušející vlastnímu číslu vlastní vektor <math>|\psi_n\rangle</math> splňující <math>\hat{A}|\psi_n\rangle=a_n|\psi_n\rangle</math>.
# Postulát o [[Časová_Schrödingerova_rovnice|Schrödingerově rovnici]] - Časový vývoj stavového vektoru <math>|\psi\rangle</math> se řídí časovou Schrödingerovou rovnicí: <math>i\hbar\frac{\mbox{d}}{\mbox{d}t}|\psi(t)\rangle = \hat{H}(t)|\psi\rangle,</math> kde <math>i</math> je [[
# Postulát o [[kvantovací pravidla|kvantovacích pravidlech]] - Je-li pro <math>j=1,2,3</math> souřadnice polohy <math>x_j</math> popsatelná pozorovatelnou <math>\hat{X}_j</math> a složka hybnosti <math>p_j</math> popsatelná pozorovatelnou <math>\hat{P}_j</math>, pak pozorovatelnou <math>\hat{A}</math>, jež popisuje klasicky definovanou fyzikální veličinu <math>A</math>, lze získat vhodnou symetrizací výrazu <math>A(x,p)</math> a následným nahrazením <math>\hat{X}_j</math> za <math>x_j</math> a nahrazením <math>\hat{P}_j</math> za <math>p_j</math>.
# Postulát o [[nerozlišitelnost částic|nerozlišitelnosti částic]] - Systém nerozlišitelných částic lze popsat pouze stavovým vektorem: symetrickým v případě [[boson|bosonů]], popř. antisymetrickým v případě [[fermion|fermionů]].
Řádek 99:
# von Neumannův proces 1. druhu - představuje proces měření, které je okamžitý a nevratný.
# von Neumannův proces 2. druhu - představuje proces časového vývoje vlnové funkce. Proces je v čase, je lineární a je vratný.
Zatímco von Neumannův proces 2. druhu je v kvantové mechanice plně pochopen, u von Neumannova procesu 1. druhu, neboli procesu měření, tomu tak není. Konkrétně se není zřejmé, kdy k měření dochází a co jej způsobuje. Tento problém se nazývá [[
==== Časový vývoj ====
Řádek 116:
== Interpretace kvantové mechaniky ==
Nejrozšířenější interpretace kvantové mechaniky jsou:
* [[Kodaňská interpretace]] (též ortodoxní nebo standardní interpretace, Bohr [[1927]]
* [[de Broglie–Bohmova interpretace]] ([[Louis de Broglie]] (1927), [[David Bohm]] (1952)) je teorie (někdy zvaná též teorie "pilotní vlny"), která je deterministická a nelokální ("Bohmova mechnika").
* [[Mnohasvětová_interpretace_kvantové_mechaniky|Mnohasvětová interpretace]] (Everett [[1957]]) - Interpretace, v níž měření nezpůsobí redukci vlnové funkce, ale způsobí rozdělení vesmíru na mnoho téměř identických vesmírů, které se liší pouze hodnotou naměřené veličiny.
Řádek 125:
== Význam kvantové mechaniky ==
Kvantová mechanika je velmi významná pro celou řadu aplikací, běžných i v každodenním životě. Významně napomáhá rozvoji techniky od 30. let 20. století, např. v elektronice. [[Tranzistor]] ([[počítač]]e, [[internet]], [[Mobilní telefon|
== Relativistická kvantová mechanika ==
Řádek 133:
* Souřadnice polohy částice jsou popsány [[Hermiteovský_operátor|hermiteovskými operátory]] [[Pozorovatelná_veličina|pozorovatelných veličin]], zatímco čas je v kvantové mechanice pouze parametrem.
Původní kvantová mechanika tedy není [[Speciální_teorie_relativity|relativistická]]. Z tohoto důvodu došlo k několika pokusům o vytvoření relativistické pohybové rovnice, která by nahradila nerelativistickou [[Schrödingerova_rovnice|Schrödingerovu rovnici]]. Tyto pokusy vedly k nalezení [[Kleinova-Gordonova_rovnice|Kleinovy-Gordonovy rovnice]] a [[Diracova_rovnice|Diracovy rovnice]].
* [[
* [[
Relativistické kvantová mechanika je důležitým mezikrokem mezi nerelativistickou kvantovou mechanikou a [[Kvantová_teorie_pole|kvantovou teorií pole]]. Skutečnost, že relativistická kvantová mechanika je co do rozsahu významně menší ve srovnání s nerelativistickou kvantovou mechanikou, se odráží v terminologii: Není-li explicitně řečeno, že se jedná o relativistickou kvantovou mechaniku, pak se vždy míní nerelativistická kvantová mechanika.
== Omezení kvantové mechaniky ==
I
# Kvantová mechanika není relativistická. Popisu systému částic pomocí (speciálně) relativistické teorie je nutný především tehdy, kdy mají částice [[Kinetická_energie|kinetickou energii]] srovnatelnou s [[Klidová_energie|klidnou energií]] částic <math>W\sim m_0c^2</math>. V takových případech není vhodné systém částic popisovat kvantovou mechanikou, ale je potřeba použít kvantovou teorii pole.
# Kvantová mechanika popisuje systém s neměnným počtem a neměnnými druhy částic. V případě, kdy je potřeba popsat systém částic, kde vznikají, rozpadají se a [[Anihilace|anihilují]] částice, tak není možné použít kvantovou mechaniku a je nutné použít kvantovou teorii pole.
Teorie, která uvedené nedostatky nemá, se nazývá [[
== Odvětví, která vznikla z kvantové mechaniky ==
* [[
* [[
* [[
== Odkazy ==
|